超聲波在介質(zhì)中的傳播特性講解

醫(yī)用物理學(xué)醫(yī)用物理學(xué)超聲波在介質(zhì)中的傳播特性

一、反射與透射二、衍射與散射三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波五、聲波通過介質(zhì)薄層的特征超聲波在介質(zhì)中的傳播特性聲學(xué)中介質(zhì)是以聲阻抗劃分，聲波介質(zhì)界面就是聲阻抗不同的介質(zhì)分界面。在聲學(xué)介質(zhì)中，兩物質(zhì)物理性質(zhì)不同，或由不同的原子、分子組成，如果其聲阻抗相同，則認(rèn)為它們是聲學(xué)的同種均勻介質(zhì)，其間不存在界面。一、反射與透射超聲波傳播遵循幾何聲學(xué)原則反射或透射的條件介質(zhì)聲阻抗界面處突變“不連續(xù)”界面線度遠(yuǎn)大于聲波波長及聲束直徑直線傳播遇到界面發(fā)生反射和透射臨床上反射回聲帶來體內(nèi)臟器及大界面信息一、反射與透射研究聲波傳播特性基本依據(jù)聲壓連續(xù)法向速度連續(xù)能量守恒界面兩側(cè)聲壓相等質(zhì)點振動速度在垂直界面的分量相等一、反射與透射1.反射系數(shù)反射聲壓pr和入射聲壓pi之比pt

透射聲壓質(zhì)點振動速度與聲傳播方向相同如圖所示向下方向定為正兩個連續(xù)聲壓反射系數(shù)一、反射與透射聲的折射與反射結(jié)合速度、聲壓與聲阻抗關(guān)系聯(lián)立導(dǎo)出1.反射系數(shù)一、反射與透射聲波垂直入射Z2>>Z1rp≈1Z1>>Z2半波損失全反射且反射波與入射波位相突變

Z1=Z2rp=0Z1>Z2rp<0rp≈-1全反射無透射全透射反射波與入射波反相1.反射系數(shù)一、反射與透射在生物介質(zhì)不同界面超聲垂直入射時的聲壓反射系數(shù)水0.3500.5700.0070.0350.0070.0290.0200.0470脂肪0.3900.6100.0470.0490.0540.0760.067肌肉0.3300.5600.0200.0150.0130.009皮膚0.3200.5600.0290.0060.022腦0.3400.5700.00.028肝0.3200.5500.028血液0.3500.570顱骨0.290名稱熒光樹脂顱骨血液肝腦皮膚肌肉脂肪水查表聲波由水入腦的rＩ＝0.007計算分貝1.反射系數(shù)一、反射與透射1.反射系數(shù)分貝(dB)表示反射聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)之比聲強(qiáng)反射系數(shù)一、反射與透射2.全反射超聲波透射定律如圖cl<c2

透射角隨入射角增大而增大入射角達(dá)到b值透射角增大至90

入射角大于b值超聲在界面全反射b角稱全反射臨界角一、反射與透射全反射水作探頭與皮膚間夾層，臨界角76

30'石蠟油作夾層，臨界角67o10'實際應(yīng)用中探頭探測角度不超24o全反射現(xiàn)象對超聲診斷無意義，應(yīng)盡量避免。減少信號強(qiáng)度損失避免產(chǎn)生透射偽像及全反射現(xiàn)象2.全反射一、反射與透射3.透射系數(shù)由聲壓連續(xù)和法向速度連續(xù)可知衡量超聲在不同介質(zhì)中透射能量的大小聲壓透射系數(shù)如圖

rZ2

i

tZ1c1c2vivrvtpiprpt一、反射與透射聲的折射與反射聲壓透射系數(shù)3.透射系數(shù)由反射定律可知

i=rpr=pt–pi

一、反射與透射聲的折射與反射聲壓透射系數(shù)聲波垂直入射Z1>>Z2

tP

0

超聲強(qiáng)烈反射無透射Z1≈Z2

tP≈1超聲全部透射Z2>>Z1

tP≈2駐波現(xiàn)象反射強(qiáng)烈3.透射系數(shù)一、反射與透射聲壓透射系數(shù)聲波垂直入射超聲在界面反射和透射只有垂直入射聲強(qiáng)才能守恒3.透射系數(shù)一、反射與透射1.衍射超聲波長

與物體尺寸可以比擬甚至更大時，會發(fā)生衍射和散射現(xiàn)象

界面或障礙物線度與超波長相近，超聲繞過障礙物傳播聲影聲波不能完全繞過線度較大障礙物其后存在聲波不能達(dá)到的空間圖像表現(xiàn)為暗區(qū)，是探測不到的盲區(qū)二、衍射與散射1.衍射與波長相仿的病灶探測不到聲波完全繞過與其波長相仿的病灶不形成反射回波不形成病灶輪廊圖像可存在反向散射可判定病灶性質(zhì)二、衍射與散射界面或障礙物線度ｄ小于且接近超聲波波長

，傳播方向連續(xù)改變。懸浮粒子成為子波源（散射中心）向空間各方向發(fā)射散射波（子波）形成干涉空間（散射波場）干擾入射波（入射波與子波相干涉）超聲入射懸浮粒子(塵埃、煙霧、雜質(zhì)、氣泡等)2.散射二、衍射與散射

散射截面定量描述散射程度W

總散射功率Ii

入射聲強(qiáng)2.散射二、衍射與散射d

>>λd

<<λd

≈λ

散射不明顯，主要是反射、透射，并有聲影散射明顯，散射場強(qiáng)度均勻分布散射聲強(qiáng)與入射波頻率四次方成反比散射場強(qiáng)度分布復(fù)雜，表現(xiàn)為角分布聲強(qiáng)與頻率四次方成正比，與距離平方成反比3.結(jié)論二、衍射與散射1.衰減概念聲波衰減的主要原因擴(kuò)散衰減散射衰減吸收衰減聲波聲強(qiáng)隨傳播距離增加而逐漸減弱的現(xiàn)象三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律S0I0=SIS=4

r2，S0=4r02

擴(kuò)散衰減聲波能量分布改變造成的衰減設(shè)距離聲源半徑ro的球面So上聲強(qiáng)Io

傳到r處強(qiáng)度I，不考慮介質(zhì)吸收單位時間內(nèi)通過波陣面能量相等平方反比定律擴(kuò)散衰減與波陣面形狀有關(guān)，與介質(zhì)特性無關(guān)1.衰減概念三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律擴(kuò)散衰減散射衰減聲波與散射中心多次相互作用部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能散失介質(zhì)并不絕對均勻含有雜質(zhì)成為散射中心同時熱起伏導(dǎo)致介質(zhì)局部密度變化聲波散射能量損耗聲波與散射中心相互作用生物組織更是一個不均勻介質(zhì)1.衰減概念三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律吸收衰減聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、機(jī)械能等其它形式能量吸收機(jī)制粘滯吸收熱傳導(dǎo)和熱輻射吸收弛豫吸收介質(zhì)吸收聲能后分子勢能增加一段時間后以聲波形式發(fā)射吸收與聲波頻率關(guān)系甚大（f大吸收衰減多）1.衰減概念三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律

2.介質(zhì)吸收衰減規(guī)律“平行”“窄束”避開散射、擴(kuò)散衰減影響

聲強(qiáng)吸收系數(shù)平行窄束聲波通過無限大均勻介質(zhì)積分得薄層dx內(nèi)強(qiáng)度減少量-dIx=0處強(qiáng)度幅值I0如圖超聲沿X軸正向傳入均勻介質(zhì)研究方法三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律

2.介質(zhì)吸收衰減規(guī)律同理聲壓幅值吸收規(guī)律兩吸收系數(shù)關(guān)系p0

起始聲壓p

傳播x距離后聲壓

p

聲壓吸收系數(shù)聲壓表示聲強(qiáng)吸收三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律

3.生物組織主要聲學(xué)參數(shù)衰減系數(shù)

吸收衰減系數(shù)、散射衰減系數(shù)與組織厚度、超聲頻率有關(guān)α=βfβ平均吸收系數(shù)軟組織對超聲平均衰減系數(shù)頻率增加1MHz，傳播距離增加1cm組織對超聲衰減增加0.81dB0.81×dB(cm·MHz)-1三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律半價層H組織內(nèi)傳播的超聲波其強(qiáng)度衰減到初始值一半時的距離，單位為cm?；祉憰r間聲源停止發(fā)射后，聲場中某點振動延續(xù)時間原因界面間多次反射聲波引起固有振動介質(zhì)不均勻性引起散射

3.生物組織主要聲學(xué)參數(shù)三、聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律聲束與界面垂直無透射不產(chǎn)生橫波1.聲波類型的轉(zhuǎn)換縱波以一定角度由液體射入固體產(chǎn)生反射和透射。反射波仍在液體中為縱波；透射波透入固體改變傳方向，與振動方向成一定角度?？煞纸鉃榇怪狈至亢推叫蟹至績深惒?，即橫波和縱波。介質(zhì)性質(zhì)不同透射角度不同，橫波和縱波振幅不同。聲波轉(zhuǎn)換臨床意義由腦組織射入顱骨產(chǎn)生橫波形成偽影四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波超聲波型轉(zhuǎn)換彩圖

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)線性聲學(xué)中聲速與聲波強(qiáng)度無關(guān)，單頻聲波射入靜止介質(zhì)，回波頻率和入射波一樣。聲波強(qiáng)度很大精細(xì)分析非線性聲學(xué)理論的應(yīng)用四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波介質(zhì)不符合線性關(guān)系

常見聲學(xué)諧波的類型波形的畸變組織諧波氣泡產(chǎn)生的諧波四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)

波形的畸變四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波頻率越高振幅越大，非線性畸變越大

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)聲傳播的非線性畸變

組織諧波單頻簡諧波在組織中傳播發(fā)生非線性畸變時，周期不變，按照傅立葉變換理論，相當(dāng)于產(chǎn)生頻率為原始頻率整數(shù)倍的諧波。x=0

幅度為零，x增大幅度增大。四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)

氣泡產(chǎn)生的諧波空化效應(yīng)超聲液體中傳播聲壓起伏聲壓為負(fù)液體汽化產(chǎn)生氣泡穩(wěn)態(tài)空化周期性振動暫態(tài)空化劇烈振動四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)氣泡產(chǎn)生的諧波四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)氣泡隨時間變化的規(guī)律氣泡產(chǎn)生的諧波

四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)氣泡半徑隨時間變化的規(guī)律氣泡產(chǎn)生的諧波

氣泡振動是非線性的，包含各種諧波包括入射超聲波的基頻f0

、倍頻（2f0、3f0、4f0…）和次頻成分(

)。醫(yī)學(xué)利用造影劑產(chǎn)生微氣泡獲得諧波進(jìn)行諧波成像氣泡產(chǎn)生的諧波比組織諧波強(qiáng)的多含有氣泡的介質(zhì)非線性很強(qiáng)四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波

2.聲學(xué)諧波基礎(chǔ)

3.反射增強(qiáng)對不同深度?；夭ㄐ盘栠M(jìn)行不同程度放大,部位越深信號放大倍數(shù)越大,使同種均勻介質(zhì)回波信號強(qiáng)度基本相同。若使軟組織反射信號均勻一致則液體反射信號比入射波強(qiáng)度大,即反射增強(qiáng)四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波

3.反射增強(qiáng)反射增強(qiáng)

3.反射增強(qiáng)四、聲波的波形轉(zhuǎn)換和聲學(xué)諧波后壁增強(qiáng)效應(yīng)得出聲強(qiáng)透射系數(shù)如圖,聲波垂直通過厚度d的介質(zhì)薄層。忽略介質(zhì)對聲能量吸收，因入射波和反射波疊加各層間聲壓重新分布。五、聲束通過介質(zhì)薄層的特征聲束通過介質(zhì)薄層（a）

1.Z1·Z3>>Z2

如Z2為軟組織間的空氣薄層聲束不能透射五、聲束通過介質(zhì)薄層的特征聲束通過介質(zhì)薄層（b）相當(dāng)于聲束垂直通過Z1、Z3

介質(zhì),中間薄層消失

2.d=

2/2，2，3/22，…，n2/4(n不等于零的偶數(shù))，或d<<2五、聲束通過介質(zhì)薄層的特征聲束通過介質(zhì)薄層（c）相當(dāng)于兩個介質(zhì)界面不存在且d為奇數(shù)倍

3.五、聲束通過介質(zhì)薄層的特征聲束通過介質(zhì)薄層（d）

4.耦合劑(couplinggel)填充厚度極小的耦合劑，相當(dāng)于聲束垂直通過介